چه واکنش هایی برای آلکان ها معمول است

2024 نویسنده: Angel Austin | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2023-12-17 05:24

هر دسته از ترکیبات شیمیایی به دلیل ساختار الکترونیکی خود قادر به نشان دادن خواص هستند. آلکان ها با واکنش های جایگزینی، حذف یا اکسیداسیون مولکول ها مشخص می شوند. همه فرآیندهای شیمیایی ویژگی‌های جریان خاص خود را دارند که بیشتر مورد بحث قرار خواهد گرفت.

آلکان چیست

اینها ترکیبات هیدروکربنی اشباع شده به نام پارافین هستند. مولکول های آنها فقط از اتم های کربن و هیدروژن تشکیل شده است، دارای یک زنجیره غیر حلقوی خطی یا شاخه ای هستند که در آن فقط ترکیبات منفرد وجود دارد. با توجه به ویژگی های کلاس، می توان محاسبه کرد که کدام واکنش ها مشخصه آلکان ها هستند. آنها از فرمول کل کلاس پیروی می کنند: H_2n+2C.

ساختار شیمیایی

مولکول پارافین شامل اتم‌های کربن است که sp³ -هیبریداسیون را نشان می‌دهد. آنها هر چهار اوربیتال ظرفیتی دارند که در فضا شکل، انرژی و جهت یکسانی دارند. اندازه زاویه بین سطوح انرژی 109 درجه و 28 دقیقه است.

وجود پیوندهای منفرد در مولکول ها تعیین کننده واکنش هاستویژگی آلکان ها آنها حاوی σ-ترکیبات هستند. پیوند بین کربن ها غیرقطبی و ضعیف است و کمی طولانی تر از C-H است. همچنین یک تغییر در چگالی الکترون به اتم کربن، به عنوان الکترونگاتیوترین، وجود دارد. در نتیجه، ترکیب C-H با قطبیت پایین مشخص می شود.

واکنش‌های جایگزینی

مواد از کلاس پارافین دارای فعالیت شیمیایی ضعیفی هستند. این را می توان با استحکام پیوندهای بین C-C و C-H توضیح داد، که شکستن آنها به دلیل غیرقطبی بودن دشوار است. تخریب آنها بر اساس یک مکانیسم همولیتیک است که در آن رادیکال های نوع آزاد شرکت می کنند. به همین دلیل است که آلکان ها با واکنش های جانشینی مشخص می شوند. چنین موادی قادر به برهمکنش با مولکول های آب یا یون های حامل بار نیستند.

آنها شامل جایگزینی رادیکال های آزاد هستند که در آن اتم های هیدروژن با عناصر هالوژن یا سایر گروه های فعال جایگزین می شوند. این واکنش ها شامل فرآیندهای مرتبط با هالوژناسیون، سولفوکلرینه شدن و نیتراسیون است. نتیجه آنها تهیه مشتقات آلکان است.

مکانیسم واکنش های جایگزینی رادیکال های آزاد بر اساس سه مرحله اصلی است:

1. فرآیند با شروع یا هسته زایی یک زنجیره آغاز می شود که در نتیجه آن رادیکال های آزاد تشکیل می شوند. کاتالیزورها منابع نور فرابنفش و گرما هستند.
2. سپس زنجیره ای ایجاد می شود که در آن برهمکنش های متوالی ذرات فعال با مولکول های غیرفعال انجام می شود.آنها به ترتیب به مولکول و رادیکال تبدیل می شوند.
3. مرحله آخر شکستن زنجیره است. نوترکیبی یا ناپدید شدن ذرات فعال مشاهده می شود. این پیشرفت یک واکنش زنجیره ای را متوقف می کند.

فرایند هالوژناسیون

بر اساس مکانیسمی از نوع رادیکال است. واکنش هالوژناسیون آلکان ها با تابش اشعه ماوراء بنفش و حرارت دادن مخلوطی از هالوژن ها و هیدروکربن ها صورت می گیرد.

همه مراحل فرآیند تابع قاعده ای است که مارکوفنیکوف بیان کرده است. بیان می کند که اول از همه، اتم هیدروژن، که متعلق به هیدروژنه ترین کربن است، در معرض یک هالوژن قرار می گیرد. هالوژناسیون به ترتیب زیر انجام می شود: از اتم سوم تا کربن اولیه.

این فرآیند برای مولکول های آلکان با زنجیره اصلی کربن طولانی بهتر است. این به دلیل کاهش انرژی یونیزه کننده در این جهت است، الکترون به راحتی از ماده جدا می شود.

یک مثال کلرزنی یک مولکول متان است. عمل اشعه ماوراء بنفش منجر به تقسیم کلر به ذرات رادیکالی می شود که به آلکان حمله می کنند. جدا شدن هیدروژن اتمی و تشکیل H₃C· یا رادیکال متیل وجود دارد. چنین ذره ای به نوبه خود به کلر مولکولی حمله می کند و منجر به تخریب ساختار آن و تشکیل یک معرف شیمیایی جدید می شود.

در هر مرحله از فرآیند فقط یک اتم هیدروژن جایگزین می شود. واکنش هالوژناسیون آلکان ها منجر به تشکیل تدریجی مولکول های کلرومتان، دی کلرومتان، تری کلرومتان و تتراکلرید کربن می شود.

از نظر شماتیک، روند به این صورت است:

H₄C + Cl:Cl → H₃CCl + HCl،

H₃CCl + Cl:Cl → H₂CCl_۲ + HCl،

H₂CCl₂ + Cl:Cl → HCCl₃ + HCl،

HCCl₃ + Cl:Cl → CCl₄ + HCl.

برخلاف کلرزنی یک مولکول متان، انجام چنین فرآیندی با سایر آلکان ها با بدست آوردن موادی مشخص می شود که در آنها جایگزینی هیدروژن نه در یک اتم کربن، بلکه در چندین اتم اتفاق می افتد. نسبت کمی آنها با شاخص های دما مرتبط است. در شرایط سرد، سرعت تشکیل مشتقات با ساختار سوم، ثانویه و اولیه کاهش می یابد.

با افزایش دما، سرعت تشکیل چنین ترکیباتی کاهش می یابد. فرآیند هالوژناسیون تحت تأثیر عامل ایستا قرار می گیرد که احتمال متفاوتی از برخورد رادیکال با اتم کربن را نشان می دهد.

فرایند هالوژناسیون با ید در شرایط عادی پیش نمی رود. ایجاد شرایط ویژه ضروری است. هنگامی که متان در معرض این هالوژن قرار می گیرد، یدید هیدروژن تشکیل می شود. تحت تأثیر متیل یدید قرار می گیرد، در نتیجه، معرف های اولیه آزاد می شوند: متان و ید. چنین واکنشی برگشت پذیر در نظر گرفته می شود.

واکنش ورتز برای آلکانها

روشی برای به دست آوردن هیدروکربن های اشباع با ساختار متقارن است. فلز سدیم، آلکیل برومید یا آلکیل کلرید به عنوان واکنش دهنده استفاده می شود. دربرهمکنش آنها سدیم هالید و زنجیره هیدروکربنی گسترده ای را تولید می کند که مجموع دو رادیکال هیدروکربنی است. از نظر شماتیک، سنتز به شرح زیر است: R-Cl + Cl-R + 2Na → R-R + 2NaCl.

واکنش ورتز برای آلکان ها تنها در صورتی امکان پذیر است که هالوژن های موجود در مولکول های آنها در اتم کربن اولیه باشند. برای مثال، CH₃−CH₂−CH₂Br.

اگر مخلوط هالوکربنی از دو ترکیب در این فرآیند دخالت داشته باشد، سه محصول مختلف در طول تراکم زنجیره های آنها تشکیل می شود. نمونه ای از چنین واکنشی از آلکان ها، برهمکنش سدیم با کلرومتان و کلرواتان است. خروجی مخلوطی حاوی بوتان، پروپان و اتان است.

علاوه بر سدیم، می توان از سایر فلزات قلیایی مانند لیتیوم یا پتاسیم استفاده کرد.

فرایند سولفوکلرینه

به آن واکنش رید نیز می گویند. طبق اصل جایگزینی رادیکال آزاد پیش می رود. این یک نوع واکنش مشخصه آلکان ها به عمل مخلوطی از دی اکسید گوگرد و کلر مولکولی در حضور پرتو فرابنفش است.

فرآیند با شروع یک مکانیسم زنجیره ای آغاز می شود که در آن دو رادیکال از کلر به دست می آید. یکی از آنها به آلکان حمله می کند و در نتیجه یک گونه آلکیل و یک مولکول کلرید هیدروژن ایجاد می شود. دی اکسید گوگرد به رادیکال هیدروکربنی متصل می شود تا یک ذره پیچیده را تشکیل دهد. برای تثبیت، یک اتم کلر از مولکول دیگر گرفته می شود. ماده نهایی آلکان سولفونیل کلرید است که در سنتز ترکیبات فعال سطحی استفاده می شود.

از نظر شماتیک، روند به این صورت است:

ClCl → ^hv ∙Cl + ∙Cl, HR + ∙Cl → R∙ + HCl،

R∙ + OSO → ∙RSO₂،

∙RSO₂ + ClCl → RSO₂Cl + ∙Cl.

فرایندهای مربوط به نیتراسیون

آلکان ها با اسید نیتریک به شکل محلول 10 درصد و همچنین با اکسید نیتروژن چهار ظرفیتی در حالت گاز واکنش می دهند. شرایط برای جریان آن مقادیر دمای بالا (حدود 140 درجه سانتیگراد) و نشانگرهای فشار پایین است. نیتروآلکان ها در خروجی تولید می شوند.

این فرآیند رادیکال آزاد به افتخار دانشمند کونوالوف، که سنتز نیتراسیون را کشف کرد، نامگذاری شد: CH₄ + HNO₃ → CH ₃نه₂ + H₂O.

مکانیسم برش

آلکان ها با واکنش های هیدروژن زدایی و ترک خوردگی مشخص می شوند. مولکول متان تحت تجزیه حرارتی کامل قرار می گیرد.

مکانیسم اصلی واکنش های فوق حذف اتم ها از آلکان ها است.

فرایند هیدروژن زدایی

هنگامی که اتم های هیدروژن از اسکلت کربن پارافین ها جدا می شوند، به استثنای متان، ترکیبات غیراشباع به دست می آیند. چنین واکنش های شیمیایی آلکان ها در دماهای بالا (از 400 تا 600 درجه سانتیگراد) و تحت تأثیر شتاب دهنده هایی به شکل اکسیدهای پلاتین، نیکل، کروم و آلومینیوم صورت می گیرد.

اگر مولکول های پروپان یا اتان در واکنش دخالت داشته باشند، محصولات آن پروپن یا اتن با یک پیوند دوگانه خواهند بود.

هنگامی که یک اسکلت چهار یا پنج کربنی را هیدروژن زدایی می کنید، دی اناتصالات بوتان از بوتادین-1، 3 و بوتادین-1، 2 تشکیل می شود.

اگر موادی با 6 اتم کربن یا بیشتر در واکنش وجود داشته باشند، بنزن تشکیل می شود. این یک هسته معطر با سه پیوند دوگانه دارد.

فرایند تجزیه

در شرایط دمای بالا، واکنش آلکان ها می تواند با شکستن پیوندهای کربنی و تشکیل ذرات فعال از نوع رادیکالی انجام شود. چنین فرآیندهایی ترک خوردگی یا پیرولیز نامیده می شوند.

گرم کردن واکنش دهنده ها تا دمای بیش از 500 درجه سانتی گراد منجر به تجزیه مولکول های آنها می شود که در طی آن مخلوط های پیچیده ای از رادیکال های نوع آلکیل تشکیل می شود.

انجام پیرولیز آلکان ها با زنجیره های کربنی طولانی تحت حرارت قوی با به دست آوردن ترکیبات اشباع و غیر اشباع همراه است. به آن ترک حرارتی می گویند. این فرآیند تا اواسط قرن بیستم مورد استفاده قرار گرفت.

عیب

تولید هیدروکربن‌هایی با عدد اکتان پایین (بیش از 65) بود، بنابراین با کراکینگ کاتالیزوری جایگزین شد. این فرآیند در شرایط دمایی زیر 440 درجه سانتی‌گراد و فشارهای زیر 15 اتمسفر، در حضور یک شتاب‌دهنده آلومینوسیلیکات با آزاد شدن آلکان‌های دارای ساختار منشعب انجام می‌شود. یک مثال تجزیه در اثر حرارت متان است: 2CH₄ →^t°C_{۲ H}2_{+ 3H}2_{. در طی این واکنش، استیلن و هیدروژن مولکولی تشکیل می‌شوند.}

مولکول متان می تواند تحت تبدیل قرار گیرد. این واکنش به آب و یک کاتالیزور نیکل نیاز دارد. درخروجی مخلوطی از مونوکسید کربن و هیدروژن است.

فرایندهای اکسیداسیون

واکنش های شیمیایی مشخصه آلکان ها شامل اهدای الکترون است.

پارافین ها اکسیداسیون خودکار دارند. این شامل یک مکانیسم رادیکال آزاد برای اکسیداسیون هیدروکربن های اشباع شده است. در طی واکنش، هیدروپراکسیدها از فاز مایع آلکان ها به دست می آیند. در مرحله اولیه، مولکول پارافین با اکسیژن تعامل می کند، در نتیجه رادیکال های فعال آزاد می شوند. علاوه بر این، یک مولکول دیگر O₂ با ذره آلکیل برهمکنش می کند و در نتیجه ∙ROO ایجاد می شود. یک مولکول آلکان با رادیکال پراکسید اسید چرب تماس می گیرد و پس از آن هیدروپراکسید آزاد می شود. به عنوان مثال، خوداکسیداسیون اتان است:

C₂H₆ + O₂ → ∙C₂ H₅ + HOO∙،

∙C₂H₅ + O₂ → ∙OOC ₂H₅،

∙OOC₂H₅ + C₂H₆→ HOOC₂H₅ + ∙C₂H₅.

آلکان‌ها با واکنش‌های احتراق مشخص می‌شوند که وقتی در ترکیب سوخت تعیین می‌شوند، جزو خواص شیمیایی اصلی هستند. آنها دارای ویژگی اکسیداتیو با انتشار گرما هستند: 2C₂H₆ + 7O₂ → 4CO 2 _{+ 6H}2_O.

اگر مقدار کمی اکسیژن در فرآیند وجود داشته باشد، محصول نهایی ممکن است زغال سنگ یا اکسید کربن دو ظرفیتی باشد که با غلظت O₂ تعیین می شود..

هنگامی که آلکان ها تحت تأثیر مواد کاتالیزوری اکسید می شوند و تا دمای 200 درجه سانتیگراد گرم می شوند، مولکول های الکل، آلدئید یاکربوکسیلیک اسید.

مثال اتان:

C₂H₆ + O₂ → C_{2 H}5_{OH (اتانول)،}

C₂H₆ + O₂ → CH₃ CHO + H₂O (اتانال و آب)،

2C₂H₆ + 3O₂ → 2CH₃ COOH + 2H₂O (اسید اتانوئیک و آب).

آلکان ها می توانند در معرض پراکسیدهای حلقوی سه عضوی اکسید شوند. اینها شامل دی متیل دیوکیران می باشد. نتیجه اکسیداسیون پارافین ها یک مولکول الکل است.

نمایندگان پارافین به KMnO₄ یا پرمنگنات پتاسیم و همچنین به آب برم واکنش نشان نمی دهند.

ایزومریزاسیون

در آلکان ها، نوع واکنش با جایگزینی با مکانیسم الکتروفیل مشخص می شود. این شامل ایزومریزاسیون زنجیره کربن است. این فرآیند توسط کلرید آلومینیوم کاتالیز می شود که با پارافین اشباع شده تعامل دارد. یک مثال ایزومریزاسیون یک مولکول بوتان است که به 2-متیل پروپان تبدیل می شود: C₄H₁₀ → C₃ H 7_CH3.

فرآیند رایحه

اشباع شده با شش یا بیشتر اتم کربن در زنجیره اصلی کربن، قادر به dehydrocyclization هستند. چنین واکنشی برای مولکول های کوتاه معمولی نیست. نتیجه همیشه یک حلقه شش عضوی به شکل سیکلوهگزان و مشتقات آن است.

در حضور شتاب دهنده های واکنش، هیدروژن زدایی بیشتر صورت می گیرد وتبدیل به یک حلقه بنزن پایدارتر هیدروکربن های غیر حلقوی به ترکیبات معطر یا آرن تبدیل می شوند. یک مثال، چرخه زدایی هگزان است:

H₃C−CH₂− CH₂− CH ₂− CH₂−CH₃ → C₆H ₁₂ (سیکلوهگزان)،

C₆H₁₂ → C₆H_{6+ 3H}2 _(بنزن).